王鎮惡受命進攻長安，他率領水軍乘坐蒙沖小艦在渭水中逆流而上，駕船的人都在戰船里面，后秦國人看見船艦前進卻沒有看見駕船的人，都十分驚訝，認為這件事情很神奇。
凌晨時分，王鎮惡抵達渭橋，命令戰士們吃飽喝足以后，全部手持兵器登岸，最后登錄的人斬首。士兵們登錄完畢后，因渭水水流湍急，東晉的戰艦全部隨波東下，倏忽之間就不見了蹤影。
當時姚泓統帥的駐扎在長安的軍隊還有幾萬人，王鎮惡向士兵們宣告說：“我們的親人和家園都在江南，這里是長安北門，離故鄉有萬里之遙?，F在，戰船、衣服、糧食都飄走了，今天我們進攻，勝利了可以建功立業，失敗的話，我們連尸骨都回不了家，沒有第三條路可以走，與大家共勉吧！”
說完，王鎮惡身先士卒，沖在最前面，士兵們士氣高漲、奮勇爭先，在渭橋大敗后秦姚丕的軍隊。姚泓想率兵救援，卻被姚丕的敗兵沖擊踐踏，不戰自潰。姚諶等人全部戰死，姚泓單人匹馬逃回皇宮。
王鎮惡的軍隊一鼓作氣從長安的平朔門沖進城，姚泓和姚裕等率領幾百名騎兵逃奔石橋。姚贊聽說姚泓戰敗，急忙率軍趕來救援，可是，后秦軍心已經大亂，士卒們四處逃散，胡翼度也向劉裕投降。
姚泓見大勢已去，打算出城投降，他的兒子姚佛念年僅十一歲，對父親說：“晉人勢必要發泄他們的欲望，我們即使投降也難免一死，不如自殺罷。”姚泓心里痛楚，沒有回答，姚佛念見父親猶豫，自己登上宮墻，跳下摔死。姚泓攜妻子兒女、文武百官前往王鎮惡的大營投降，王鎮惡把他們交給部下關押。
長安城中的漢人和夷人共有六萬多戶，王鎮惡進城后宣揚東晉的恩德，加以安撫，號令嚴明，令百姓安居樂業。
九月，劉裕抵達長安，王鎮惡在灞上迎接他。劉?？洫勊f：“是你幫助我完成了霸業??！”王鎮惡拜了又拜，說：“這全仰賴您的英明指導和威望，還有各位將領的努力，鎮惡何功之有啊！”
劉裕哈哈大笑著說：“你這是要學習馮異嗎！”（馮異，東漢開國名將，云臺二十八將第七位。當時跟隨劉秀的開國將領們，常常在一起聊天夸耀戰功，每當這時，馮異總是一個人默默走開，后來常用來指居功不自傲的將領。）
其實，王鎮惡一向貪財好利，后秦府庫十分豐富，王鎮惡私自盜取的財物不計其數，劉裕因他功勞很大，所以不予過問。
嫉妒王鎮惡的人很多，有人私下里向劉裕匯報說：“王鎮惡私藏了姚泓的御用輦車，可能會有異心?！眲⒃０抵信扇苏{查此事，調查結果是王鎮惡把輦車上裝飾用的金銀珠寶全都剔光了，把輦給當成破爛給扔到城墻外面去了，劉裕聽說后，這才放心
劉裕下令沒收后秦宮室祭祀的用具、渾天儀、指南車等等，全部送往建康，其余金銀玉石、綾羅綢緞、稀世珍寶全都賞賜給將士。
后秦平原公姚璞、并州刺史尹昭獻出了蒲鈑城投降，東平公姚贊率領皇室一百多人，前往劉裕的大營投降，劉裕把他們全部處死，然后把姚泓送到建康，綁到市井刑場斬首。
劉裕又提議遷都洛陽，王仲德說：“非常之事，本來就不是尋常之人所能接受的，一旦遷都，必然引起舉國驚駭騷動，如今軍隊在外征戰已久，人心思歸，暫時不能提出遷都的計劃?！眲⒃＿@才作罷。
后秦姚氏乃是羌人，羌族部落的部眾十余萬口，向西逃奔到隴上，沈林子追擊他們直到槐里，俘虜數以萬計。
北涼國主沮渠蒙遜聽說劉裕滅掉了后秦，又怕又怒，校郎劉祥進宮向他奏事，沮渠蒙遜暴跳如雷地說：“你聽說劉裕入關，還敢穿得如此漂亮！”然后下令將他推出斬首。
夏王郝連勃勃在劉裕還在討伐后秦的時候，就對文武百官說：“姚泓不是劉裕的對手，而且他的兄弟們紛紛背叛，怎么還能抗拒別人！劉裕定能奪取關中，可是，劉裕自己也不會長久留在關中，最后還得回到江南，留下子弟和戰將守衛在那里。到那時，我們再去奪取關中，就像拾取一根稻草一樣容易?！?/p>
于是，他厲兵秣馬，訓練士卒，隨后，進兵占據了安定城，后秦嶺北的各郡縣、軍事重鎮、戍所紛紛投降了夏國。
劉裕派人出使夏國，寫信給郝連勃勃，相約為兄弟之國。郝連勃勃命皇甫徽提前代寫一封回信，暗地里先背誦下來，然后當著劉裕使臣的面，口授舍人命他書寫。劉?？吹叫藕?，嘆息著說：“我比不上他?！?/p>
之前從東晉流亡到后秦的司馬休之、司馬文思、魯軌等人，以及桓溫的孫子等桓氏族人，又全部投降了北魏司徒長孫嵩。后秦匈奴堡守將姚成都和他的弟弟姚和都也獻出城池投降了北魏。
北魏國主拓跋嗣下詔，聲稱民間百姓凡是救出姚氏子弟送到平城的人，都重重有賞。不久，司馬休之死在北魏，刁雍上書請求到南部邊疆報效北魏，拓跋嗣同意了。刁雍在黃河、濟水之間集結部隊，騷擾東晉所屬的徐州、兗州，劉裕派兵討伐，無法獲勝。
劉裕攻克長安后，晉安帝司馬德宗下詔封宋公劉裕為宋王，采邑增加十個郡，劉裕再次辭讓了，沒有接受。
十一月初三，在收到劉裕北伐勝利的消息后，在病床上苦苦支撐的東晉左仆射劉穆之露出最后一絲笑容，他再也支撐不住，帶著一身的疲憊撒手人寰，終年五十八歲。
消息傳到長安，劉裕震驚悲痛，痛哭不已，一連幾天都吃不下飯。劉裕本打算留在長安，繼續征服西北，可劉穆之去世后，朝中沒有可以托付的人了，劉穆之的繼任者徐羨之處理事情的能力遠不如劉穆之周到細致，于是朝中大小事務都要請示千里之外的劉裕。劉裕不堪其煩，加上將士長期征戰思念故土，最后只能決定東返。
劉裕任命他的次子，年僅十二歲的劉義真坐鎮長安，都督三州軍事，又任命王鎮惡為司馬，兼任馮翊太守；沈田子、毛德祖都為中兵參軍，沈田子兼任始平太守，毛德祖兼任秦州刺史，駐守關中。
之前，隴上流亡到關中寄居的流民，都希望東晉軍隊乘勝西上，光復故土，等到劉裕設置東秦州，知道劉裕沒有繼續西上的意圖，都極為失望。
